(57)【要約】  多孔質の隔壁で仕切られた多数の流路を有し、前記隔壁が厚さ0.17〜0.45 mm及び気孔率40%以上であるセラミックハニカム構造体を製造する方法であって、セラミックス原料粉末、バインダー、造孔材及び水を含む坏土を得る工程、前記坏土を押出してハニカム状の成形体を得る工程、及び前記成形体を乾燥及び焼成する工程を有し、前記造孔材は、40〜110℃の融点を有し、前記坏土中において固形であり、前記乾燥工程において溶融し添加量の25%以上が前記成形体から除去されることを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
2012023617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質の隔壁で仕切られた多数の流路を有し、前記隔壁が厚さ0.17〜0.45 mm及び気孔率40%以上であるセラミックハニカム構造体を製造する方法であって、
セラミックス原料粉末、バインダー、造孔材及び水を含む坏土を得る工程、前記坏土を押出してハニカム状の成形体を得る工程、及び前記成形体を乾燥及び焼成する工程を有し、
前記造孔材は、40〜110℃の融点を有し、前記坏土中において固形であり、前記乾燥工程において溶融し添加量の25%以上が前記成形体から除去されることを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項1に記載のセラミックハニカム構造体の製造方法において、前記造孔材が、粉末状の多価アルコール脂肪酸エステルであることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項1又は2に記載のセラミックハニカム構造体の製造方法において、前記造孔材は、メジアン径D50が10〜200μm、及び式：(D90-D10)/D50 [ただし、D10及びD90は、それぞれ粒子の累積体積(特定の粒子径以下の粒子体積を累積した値)が全体積の10%及び90%に相当する粒子径を表す。] の値が1〜1.5であり、前記セラミックス原料粉末に対して、6質量%を超え30質量%以下添加することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項1〜3のいずれかに記載のセラミックハニカム構造体の製造方法において、前記乾燥工程が、前記成形体にマイクロ波及び／又は熱風を作用させるものであることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項1〜4のいずれかに記載のセラミックハニカム構造体の製造方法において、前記乾燥工程において溶融した造孔材をエアブローで除去することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項1〜5のいずれかに記載のセラミックハニカム構造体の製造方法において、前記乾燥中又は前記乾燥後に、前記成形体に遠心力を作用させて前記溶融した造孔材を除去することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンなどの排出ガス中に含まれる微粒子を除去するためのセラミックハニカムフィルタに用いられるセラミックハニカム構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンなどの排気ガス中には黒煙を主体とするPM(Particulate Matter：微粒子状物質)及びNOx(窒素酸化物)が含まれており、これらが大気中に放出されると、人体や環境に悪影響を与える恐れがあることから、PM及びNOxを低減する技術の開発が検討されている。このため、ディーゼルエンジン等の排気ガス系には、PMを捕集し浄化するためのフィルタ、及びNOxを浄化する触媒担体が搭載されている。【０００３】
図1(a)及び図1(b)は、自動車の排気ガス中のPMを捕集及び浄化するセラミックハニカムフィルタ10の一例を示す。セラミックハニカムフィルタ10は、多数の流出側封止流路15a及び流入側封止流路15bを形成する多孔質隔壁14と外周壁11aとからなるセラミックハニカム構造体11と、流出側封止流路15a及び流入側封止流路15bの排気ガス流入側端面12a及び排気ガス流出側端面12bを市松模様に交互に封止する上流側封止部13aと下流側封止部13bとからなる。排気ガス(点線矢印で示す)は、端面12aに開口する流路15bから流入し、隔壁14を通過して端面12bに開口している流路15aから流出する。前記隔壁14を通過する際に、前記排気ガス中に含まれるPMが隔壁14に捕集され、排気ガスの浄化が行われる。【０００４】
セラミックハニカムフィルタ10は、セラミックハニカム構造体11の外周壁11aの外周が、金属メッシュあるいはセラミックス製のマット等で形成された把持部材で使用中に動かないように把持され、金属製の収納容器に配置される（図示せず。）。NOxを浄化する触媒担体としては、前記上流側封止部13a及び下流側封止部13bのないセラミックハニカム構造体11が用いられている。【０００５】
図1(a)及び図1(b)に示すようなセラミックハニカムフィルタ10は、以下のような工程で製造されてきている。(a)例えば、コーディエライト質となるセラミックス原料、バインダー、造孔材等の原料を秤量及び混練を行って坏土を作製する工程、(b)この坏土を例えばスクリュー式押出機により押出し、ハニカム構造を有する成形体を作製する工程（このとき成形体は、乾燥工程又は焼成工程において生じる変形を見込んで、目標寸法よりも長めに切断する。）、(c)得られた成形体を乾燥及び焼成して、コーディエライト質セラミックハニカム構造体とする工程、(d)このセラミックハニカム構造体の端面12a,12bを、ダイヤモンドカッタ、ダイヤモンドソー等の研削工具で加工して、所定の長さを有するハニカム構造体11を作製する工程、及び(e)ハニカム構造体11の両端面12a、12bの流路15a、15bを目封止材で各々市松模様となるように目封止し、目封止材を乾燥及び焼成し、上流側封止部13aと下流側封止部13bとを有するハニカムフィルタ10を得る工程。【０００６】
セラミックハニカムフィルタには、低い圧力損失特性を有することが求められている。所望の気孔率を有するセラミックハニカム構造体とするために、セラミックス原料の粒径の調整、有機物の造孔材の使用、及びその添加量の調整等の検討が行われている。しかしながら、セラミックハニカム構造体の原料に、前記有機物の造孔材及び／又は有機バインダーを用いると、これらが焼成工程において燃焼し、その熱で生じる熱応力がハニカム構造体に作用し、割れが発生するといった問題を有している。【０００７】
特開2004-142978号は、前記問題を解決しようと、セラミック又は金属からなる骨材粒子原料、水、有機バインダー、造孔材、及びコロイド粒子を混練してなる坏土をハニカム状に成形及び乾燥することによってハニカム成形体を得、前記ハニカム成形体を仮焼することによって仮焼体とした後、前記仮焼体を本焼成することで多孔質ハニカム構造体を得る方法を開示している。特開2004-142978号は、前記コロイド粒子が、比較的低い温度で脱水縮合反応等により硬化するため、有機バインダーの焼失後においても補強剤として機能し、成形体及び多孔質ハニカム構造体の機械的強度が低下するのを防止し、その結果、多量のバインダー及び造孔材が燃焼した時の発熱によって、焼成中の成形体が急激に温度上昇し、大きな熱応力が発生した場合でも、多孔質ハニカム構造体にクラックが発生するのを防止すると記載している。【０００８】
しかしながら、特開2004-142978号に記載されたセラミックハニカム構造体の製造方法において、コロイド粒子を補強剤として機能させるためには、多くのコロイド粒子を添加する必要があり、過剰に添加することで目的のセラミック組成の調節ができなくなる場合がある。また有機造孔材の種類によっては、コロイド粒子の脱水縮合反応が起こる温度よりも低温で燃焼する場合があり、前記有機造孔材の燃焼で生じる割れを完全に抑えることは困難である。特に、外径150 mm以上及び全長150 mm以上の大型ハニカム構造体で、40%以上の高い気孔率を有する隔壁を得るため有機造孔材を多量に加えるような場合には、前記コロイド粒子による補強効果は十分に得られない。【０００９】
特開2010-001184号は、造孔材に熱分解開始温度が400℃以下である熱可塑樹脂を使用するとともに、ハニカム成形体を焼成温度まで上昇させる工程において、昇温開始から1100℃以下の所定の酸素導入温度までは、酸素濃度が2%以下の低酸素雰囲気に保持し、酸素導入温度以上では、酸素濃度が2%より大きくなるように酸素を導入して、チタン酸アルミニウムを焼結させる方法を開示してる。特開2010-001184号は、低酸素雰囲気にて昇温を開始すると、樹脂の分解による吸熱反応だけが発生するため、発熱に伴う熱応力の発生がなく、焼成割れを防止でき、焼成に要する時間を増大させることなく、高品質な排ガスフィルタを生産性よく製造することができると記載している。【００１０】
しかしながら、特開2010-001184号に記載されたセラミックハニカム構造体の製造方法では、例えば、外径150 mm以上及び全長150 mm以上の大型ハニカム構造体で、40%以上の高い気孔率を有する隔壁を得るため有機造孔材を多量に加えるような場合は、前記有機造孔材の燃焼で生じる割れを完全に抑えることは困難である。さらに、低酸素雰囲気で焼成するための設備が必要となるため製造レベルでは大きな投資が必要となる。また有機造孔材の種類によっては、低酸素雰囲気で完全に分解させるためには、ある程度の時間がかかってしまい、焼成に要する時間の増大を招く場合がある。【００１１】
特開平08-323123号は、120℃以下で軟化するエチレン系樹脂の造孔材を使用して得られたセラミック坏土を成形し、得られた成形体を、前記造孔材が軟化する温度付近で乾燥し、焼成することにより排ガスフィルタを製造する方法を開示しており、前記造孔材を乾燥時に軟化させることで、隔壁の内部よりも表面に存在する造孔材がより高い流動性を有して、焼成後の隔壁の表面に、隔壁内部より大きな気孔が形成され、その結果、低添加量の造孔材であっても排ガスフィルタとして実用性のある圧力損失性能を得ることができると記載している。【００１２】
しかしながら、特開平08-323123号に記載されたセラミックハニカム構造体の製造方法は、隔壁の表面に形成される気孔径を調節するための技術に関するものであり、前記造孔材は乾燥時に軟化するものの、そのほとんどが焼成時には残存している。従って、造孔材が燃焼した際の熱応力により発生する割れを解決するものではない。【００１３】
特に、外径150 mm以上及び全長150 mm以上の大型ハニカム構造体で、40%以上の高い気孔率を有する隔壁を得るため有機造孔材を多量に加えるような場合は、前記有機造孔材の燃焼で生じる割れを低く抑えることは容易ではなく、新たな改良技術の開発が望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、造孔材と有機バインダーとを含むハニカム成形体を焼成してセラミックハニカム構造体を製造する方法において、焼成時に前記セラミックハニカム構造体に生じる割れを大幅に減少させることのできる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、焼成時に造孔材が燃焼して発生する熱応力が割れの一因であることから、押出したハニカム状成形体中の造孔材を、燃焼させずにその燃焼温度よりも低い温度で溶融して除去することにより、割れの発生が著しく減少することを見出し、本発明に想到した。【００１６】
すなわち、本発明の製造方法は、多孔質の隔壁で仕切られた多数の流路を有し、前記隔壁が厚さ0.17〜0.45 mm及び気孔率40%以上であるセラミックハニカム構造体を製造する方法であって、
セラミックス原料粉末、バインダー、造孔材及び水を含む坏土を得る工程、前記坏土を押出してハニカム状の成形体を得る工程、及び前記成形体を乾燥及び焼成する工程を有し、
前記造孔材は、40〜110℃の融点を有し、前記坏土中において固形であり、前記乾燥工程において溶融し25%以上が前記成形体から除去されることを特徴とする。【００１７】
前記造孔材は、粉末状の多価アルコール脂肪酸エステルであるのが好ましい。【００１８】
前記造孔材は、メジアン径D50が10〜200μm、及び式：(D90-D10)/D50 [ただし、D10及びD90は、それぞれ粒子の累積体積(特定の粒子径以下の粒子体積を累積した値)が全体積の10%及び90%に相当する粒子径を表す。] の値が1〜1.5であり、前記セラミックス原料粉末に対して、6質量%を超え30質量%以下添加するのが好ましい。【００１９】
前記乾燥工程は、前記成形体にマイクロ波及び／又は熱風を作用させるものであるのが好ましい。【００２０】
前記乾燥工程において溶融した造孔材をエアブローで除去するのが好ましい。【００２１】
前記乾燥中又は前記乾燥後に、前記成形体に遠心力を作用させて前記溶融した造孔材を除去するのが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の方法は、造孔材と有機バインダーとを含むセラミックハニカム成形体を焼成した際に、造孔材に起因する割れを低減できるので、特に、40%以上の気孔率を有する隔壁からなり、外径150 mm以上及び全長150 mm以上の大型のセラミックハニカム構造体の製造に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１（ａ）】本発明のセラミックハニカムフィルタの一例を示す正面図である。
【図１（ｂ）】本発明のセラミックハニカムフィルタの一例を示す断面図である。
【図２】本発明で用いる回転装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
[1]製造方法
本発明の製造方法は、多孔質の隔壁で仕切られた多数の流路を有し、前記隔壁が厚さ0.17〜0.45 mm及び気孔率40%以上であるセラミックハニカム構造体を製造する方法であって、セラミックス原料粉末、バインダー、造孔材及び水を含む坏土を得る工程、前記坏土を押出してハニカム状の成形体を得る工程、及び前記成形体を乾燥及び焼成する工程を有し、前記造孔材は、40〜110℃の融点を有し、前記坏土中において固形であり、前記乾燥工程において溶融し25%以上が前記成形体から除去されることを特徴とする。
【００２５】
(1)造孔材
造孔材は坏土中において固形状を保っている必要がある。坏土の混練時及び成形時の温度は通常30℃程度以下に抑えられるので、造孔材は40℃以上の融点を有するものを用いる。また造孔材は、坏土中で溶解しないように、水及び使用する有機バインダーに対して難溶であるのが好ましい。造孔材が固形であることにより、造孔材は押出成形体中でその形状が維持された状態で存在し、40%以上の高い気孔率を有する多孔体の形成に貢献できる。
【００２６】
前述の40℃以上の融点を有する造孔材を使用することにより、造孔材は、乾燥工程において溶融し、成形体中の水分が蒸発する際に水分とともに隔壁の外へ溶出し、添加した造孔材量の少なくとも25%が成形体から除去される。乾燥が完了し蒸発する水分がなくなると造孔材の溶出はそれ以上進まなくなる。添加した造孔材量の25%以上の造孔材が乾燥時に成形体から除去されることにより、焼成工程の際に成形体中に存在する有機物は、有機バインダー及び乾燥工程で残存した造孔材（75%未満）となる。このため焼成時に成形体中に存在する有機物の総量が減少し、有機物が燃焼することによって発生する熱を低く押さることができる。その結果、ハニカム構造体に作用する、前記有機物の燃焼による熱応力を低く抑えることができ、割れの発生を低減させることができる。
【００２７】
造孔材の融点が110℃を超える場合、乾燥工程で成形体から造孔材が溶出され難くなって成形体中に残存する割合が多くなり、その結果、焼成時に造孔材が燃焼して発生する熱応力が大きくなり、割れが発生しやすくなる。一方、造孔材の融点が40℃未満の場合、坏土に混練する際や押出成形する際の発熱で造孔材が溶融してしまい、成形体中で形状が維持されず、40%以上の高い気孔率を有する多孔体が形成されなくなる。造孔材の融点は、好ましくは45〜100℃である。
【００２８】
前記造孔材は、坏土中で溶解しないように、水及び使用する有機バインダーに対して難溶であり、乾燥工程において溶融し易く、溶融後の粘度が低く、成形体から除去され易いものが好ましい。特にグリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル等の多価アルコール脂肪酸エステルが好ましい。これらの化合物の中で、前記融点の範囲を満たすものを使用するのが好ましい。多価アルコール脂肪酸エステルは、成形体中に気孔を形成する造孔効果をもつ必要があるので、粉末状のものが好ましい。
【００２９】
前記造孔材として多価アルコール脂肪酸エステルを用いた場合、これらの化合物は、空気中で主に200〜400℃程度で燃焼するため、成形体を乾燥した後に成形体中に残存する一部の前記造孔材は、焼結時に燃焼することにより除去される。前記化合物は、50％減量温度が250〜330℃程度、350℃揮発減量が75〜95％程度であるのが好ましい。なお、50％減量温度とは、50分間で化合物の質量が半分になるような温度であり、350℃揮発減量とは、350℃で65分間保持した後の質量の減少割合(%)である。
【００３０】
造孔材は、メジアン径D50が10〜200μm、式：(D90-D10)/D50 [ただし、D10及びD90は、それぞれ粒子の累積体積(特定の粒子径以下の粒子体積を累積した値)が全体積の10%及び90%に相当する粒子径を表す。] の値が1〜1.5であるのが好ましい。造孔材のメジアン径D50が10μm未満の場合、形成される気孔が小さくなり隔壁の通気性が十分に確保されなくなる。隔壁の通気性が確保されないと、セラミックハニカムフィルタの圧力損失性能が低下してしまう。一方、造孔材のメジアン径が200μmを超える場合、ハニカム構造体の気孔径が大きくなり過ぎ、強度が維持できなくなるとともに、PM補集性能が低下する。造孔材のメジアン径は、好ましくは35〜180μmである。なお、前記造孔材のメジアン径は、粒度分布測定装置マイクロトラックMT3000(日機装(株)製)を用いて粒度分布を測定し、測定された粒子の累積体積の50%の体積に相当する粒子径である。
【００３１】
前記式：(D90-D10)/D50の値が1.0〜1.5であることで、造孔材の粗大な粒子や、微細な粒子が少なくなり、乾燥工程で形成された気孔が、焼成工程で縮小又は潰れることが少なくなるとともに、粗大な気孔も少なくなる。その結果、隔壁の通気性が確保され、強度を維持することができる。
【００３２】
造孔材の添加量は、セラミックス原料粉末に対して、6質量%を超え30質量%以下であるのが好ましい。このような添加量にすることで、造孔材は、その形状が維持された状態で押出成形体中に存在することができ、気孔の形成に貢献するとともに、乾燥工程で溶融した造孔材を、成形体中の水分が蒸発する際に水分とともに成形体から容易に溶出させることができる。さらにセラミックハニカム構造体の隔壁を高い気孔率に保つことができ、セラミックハニカムフィルタの良好な圧力損失性能を確保することができる。造孔材の添加量が、セラミックス原料粉末に対して6質量%以下である場合、ハニカム構造体の気孔率が小さくなり、ハニカムフィルタの圧力損失が大きくなる。一方、造孔材の添加量が、セラミックス原料粉末に対して30質量%を超える場合、ハニカム構造体の気孔率が大きくなり過ぎ、強度が維持できなくなるとともに、PM捕集性能が低下する。造孔材の添加量は、好ましくは7〜25質量%である。
【００３３】
(2)乾燥
ハニカム状の成形体の乾燥は、前記成形体にマイクロ波及び／又は熱風を作用させて行うのが好ましい。マイクロ波及び／又は熱風により、ハニカム成形体全体が一様に加熱され、隔壁中の造孔材の全て又は一部が溶融し、前記隔壁から前記造孔材を容易に溶出させることができる。熱風は、ハニカム成形体の流路を通過するように供給するのが好ましい。なお、乾燥において、マイクロ波のみを作用させてもよく、マイクロ波と熱風とを同時に、又はそれぞれを任意の時間で両者を順に作用させても良い。
【００３４】
隔壁の外へ溶出した造孔材は、その大部分は成形体から分離して除去されるが、一部の造孔材は隔壁表面に付着したままの状態となって残留する。造孔材が隔壁表面に付着したまま焼成を行った場合、残留した造孔材が燃焼して大きな熱応力が発生し、焼成時のハニカム構造体に割れが生じる場合があるので、隔壁表面に付着し残留した造孔材をエアブローで成形体から除去するのが好ましい。これにより、造孔材が燃焼することで生じる熱応力が緩和され、割れの発生をより減少させることが可能となる。前記エアブローの吐出圧力は、0.3 MPa以上であるのが好ましい。
【００３５】
前記乾燥中又は前記乾燥後に、前記成形体中で溶融した状態の前記造孔材を除去するために、前記成形体に遠心力を作用させても良い。成形体中の水分の蒸発とともに隔壁の外へ溶出した造孔材のうち、隔壁表面に付着したままの状態で残留した造孔材を、遠心力によって除去させることができるとともに、隔壁の外へ溶出せずに、成形体の隔壁内部に残存している造孔材も、遠心力を働かせることにより溶出させ、成形体から除去することができる。遠心力によって、添加した造孔材量の50%以上を成形体から除去するのが好ましく、60%以上を成形体から除去するのがより好ましい。
【００３６】
このように、乾燥中又は乾燥後に、前記成形体に遠心力を作用させることにより、焼成時に残留する造孔材を低減させることができる。その結果、造孔材が燃焼することで生じる熱応力が緩和され、割れの発生をより押さえることが可能となる。なお、溶融した前記造孔材を遠心力にて成形体から除去する場合、前記成形体を、前記造孔材の融点以上の温度に保温した状態で遠心分離を行うのが好ましい。
【００３７】
前記成形体に遠心力を作用させるには、例えば図2に示すような回転装置30を用いて行うことができる。回転装置30は、その内側に成形体11を収納する容器31を有している。前記容器31には、ヒーターを配置し（図示せず。）、前記容器31内の温度を造孔材が溶融する温度（例えば、130℃程度。）に保持することができるようにするのが好ましい。またヒーターを設ける代わりに、前記回転装置30に外部から熱風を供給したり、マイクロ波を当てたりしてもよい。前記容器31に、乾燥した成形体11を流路方向が回転軸に対して垂直になるように収納し、高温に保温した状態で回転させて、遠心力で溶融した造孔材を成形体から除去する。遠心は、前記成形体11が破損しない程度の条件で行うのが好ましく、成形体11の大きさにもよるが、100〜500 rpm程度の回転数で5〜30分間程度行うのが好ましい。前記回転装置30の容器31の底部に受皿を配置することにより、除去される造孔材を回収することも可能である。
【００３８】
(3)製造
可塑化された杯土は、例えば、シリカ粒子、タルク粒子、カオリン粒子、アルミナ粒子等からなるコーディエライト化原料に、前記40〜110℃の融点を有する造孔材、バインダー等を加え、ヘンシェルミキサー等の粉砕メディアを使用しない方法により混合し、水を加えニーダー等の過剰なせん断を加えない方法により混練を行って作製する。粉砕メディアを使用しない方法により混合を行うことにより、シリカ粒子（特に非晶質シリカ粒子）及び造孔材が混合過程で粉砕されるのを防ぎ、所望の粒度分布及び粒子形状を有するシリカ粒子及び造孔材を、押出後の成形体にそのまま存在させることができ、圧力損失特性とPMの捕集効率とを両立したセラミックハニカムフィルタを得ることができる。
【００３９】
セラミックハニカム構造体は、得られた可塑性の坏土を、公知の方法で金型から押出すことによりハニカム構造の成形体を形成し、前述の方法で乾燥し、必要に応じて遠心処理を施し、前記造孔材を溶出させた後、必要に応じて端面及び外周等の加工を施し、焼成することによって製造する。焼成は、連続炉又はバッチ炉を用いて、昇温及び冷却の速度を調整しながら行う。セラミック原料がコーディエライト化原料である場合、1350〜1450℃で1〜50時間保持し、コーディエライト主結晶が十分生成した後、室温まで冷却する。前記昇温速度は、特に外径150 mm以上及び全長150 mm以上（例えば、外径280 mm及び全長300 mm程度）の大型のセラミックハニカム構造体を製造する場合、焼成過程で成形体に亀裂が発生しないよう、バインダー及び前記造孔材が分解する温度範囲（例えば150〜350℃）では0.2〜10℃/hr、コーディエライト化反応が進行する温度域（例えば1150〜1400℃）では5〜20℃/hrであるのが好ましい。冷却は、特に1400〜1300℃の範囲では20〜40℃/hrの速度で行うのが好ましい。
【００４０】
得られたハニカムセラミック構造体は、公知の方法で所望の流路の端部又は流路内部を目封止することによりセラミックハニカムフィルタとすることができる。なお、この目封止部は、成形体を形成し、前記の方法で乾燥し、必要に応じて遠心処理を施し、造孔材を溶出させ、必要に応じて端面及び外周等の加工を施した後に、形成してもよい。目封止部が形成された成形体はその後焼成しセラミックハニカムフィルタを得る。
【００４１】
[2]セラミックハニカム構造体
本発明の方法によって製造されるセラミックハニカム構造体は、多孔質の隔壁で仕切られた多数の流路を有し、前記隔壁が厚さ0.17〜0.45 mm及び気孔率40%以上である。このようなセラミックハニカム構造体を用いて製造されるセラミックハニカムフィルタは、圧力損失が低い。隔壁の厚さが0.17 mm未満の場合、隔壁の強度が低下する。一方、隔壁の厚さが0.45 mmを超えると圧力損失が増加する。隔壁の厚さは、好ましくは0.2〜0.35 mmである。また、隔壁の気孔率が70%を超えると、強度が維持できなくなるとともに、PM捕集性能が低下する。隔壁の気孔率は、好ましくは65%以下、さらに好ましくは45〜60%である。
【００４２】
本発明の方法で製造されるセラミックハニカム構造体は、隔壁のダルシー透過定数が2×10-12m2以上であるのが好ましい。ダルシー透過定数が2×10-12 m2以上であることで、隔壁の通気性が確保され、セラミックハニカムフィルタに捕集されたPMが燃焼除去された後に残る残存灰分(アッシュ)が排出され易くなり、残存灰分(アッシュ)がセラミックハニカムフィルタに堆積し難くなるので、セラミックハニカムフィルタ隔壁が溶融し難くなる。隔壁のダルシー透過定数は、好ましくは2.5×10-12m2以上である。
【００４３】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものでない。
【００４４】
実施例1
カオリン、タルク、シリカ及びアルミナの粉末を配合し、化学組成が51質量%のSiO2、35質量%のAl2O3及び14質量%のMgOとなるコーディエライト化原料粉末を得た。このコーディエライト化原料粉末に対して、8質量%のメチルセルロース、潤滑剤、及び表1に示す種類、融点、メジアン径及び[(D90-D10)/D50]を有する粉末状の造孔材を表１に記載の添加量で添加し、乾式で十分混合した後、水を加えて混練し、可塑化したセラミック坏土を作製した。このセラミック坏土を押出し成形し、所定長さに切断し、ハニカム構造を有する成形体を得た。
【００４５】
前記造孔材のメジアン径及び[(D90-D10)/D50]の値は、粒度分布測定装置マイクロトラックMT3000(日機装(株)製)を用いて測定した造孔材粒子の粒度分布から求めた。測定した粒度分布から、粒子の累積体積が50%となる粒子径D50をメジアン径とした。またさらに、累積体積が10%となる粒子径D10、及び90%となる粒子径D90を求め、[(D90-D10)/D50]の値を算出した。
【００４６】
この成形体を、ハニカム成形体の流路を通過するように80℃の熱風を30分間供給して乾燥した。乾燥時には、メッシュ上に載せた成形体の下に受皿を配置して、成形体から溶出した造孔材を回収した。回収した造孔材量(a)と、添加した造孔材量(b)とから、成形体からの造孔材の除去率（坏土に添加した造孔材量に対して除去された造孔材量の割合）を、式：[(a/b)×100] (%)により算出した。
【００４７】
乾燥後の成形体を大気雰囲気の焼成炉で焼成（室温〜150℃は10℃/hr、150〜350℃は2℃/hr、350〜1150℃は20℃/hr及び1150〜1425℃は10℃/hrの平均速度で昇温、最高温度1425℃で24hr保持、並びに1425〜1300℃は30℃/hr、及び1300〜100℃は80℃/hrの平均速度で冷却）し、外径：266.7 mm、全長：304.8 mm、隔壁厚さ：0.3 mm、及び隔壁ピッチ：1.5 mmのコーディエライト質のセラミックスハニカム構造体とした。
【００４８】
実施例2〜6、10〜16及び比較例1〜6
造孔材を表1に示すように変更し、乾燥条件を下記のように変更した以外は実施例１と同様にして、実施例2〜4、10〜16及び比較例1〜6のセラミックスハニカム構造体を作製した。
【００４９】
実施例2〜4及び10〜16では出力10kwのマイクロ波を15分間照射し、実施例5では前記マイクロ波と80℃の熱風とを同時に15分間作用させ、実施例6では前記マイクロ波を5分間照射し、さらにマイクロ波を照射しつつ80℃の熱風を10分間作用させ、比較例1では前記マイクロ波を3分間照射し、比較例2では前記マイクロ波を5分間照射し、比較例3〜6では前記マイクロ波を15分間照射して乾燥した。
【００５０】
実施例7〜9
造孔材及び乾燥条件を表1に示すように変更し、さらに成形体を乾燥した後に残存した造孔材を下記のように遠心分離により除去した以外は実施例１と同様にしてセラミックスハニカム構造体を作製した。
【００５１】
遠心分離は、図2に示す回転装置30内の容器31に乾燥後の成形体11を流路方向が回転軸と垂直になるように収納し、ヒーター（図示せず。）で容器31内の温度を130℃に保持し、回転数300rpmで10分間行った。遠心力によって成形体から分離した造孔材は、容器31の底部に配置した受皿によって回収し、乾燥時に溶出した造孔材量と合わせて、造孔材の除去率(%)を算出した。
【００５２】
実施例17〜20
成形体の乾燥後に、吐出圧力0.3 MPaのエアにて成形体の流路をブローし、隔壁表面に付着したまま残留している造孔材を成形体から除去した以外は実施例2及び5〜7と同様にして、それぞれ実施例17〜20のセラミックハニカム構造体を作製した。エアブローによって除去した造孔材量は、エアブロー前の成形体質量(c)からエアブロー後の成形体質量(d)を引くことによって求めた。すなわち、これらの実施例における造孔材の除去率は、式[{(a+c-d)/b}×100] (%)によって算出した。ここで、a及びbは、実施例１と同様であり、それぞれ乾燥時に回収した造孔材量、及び添加した造孔材量を表す。
【００５３】
得られた実施例1〜20及び比較例1〜6のセラミックハニカム構造体の、気孔率、細孔のメジアン径、ダルシー透過定数、及び割れ発生率を下記のように評価した。それらの結果を表1に示す。
【００５４】
[気孔率]
隔壁の気孔率は水銀圧入法により測定した。まずセラミックハニカムフィルタから切り出した試験片(10 mm×10 mm×10 mm)を、Micromeritics社製オートポアIIIの測定セル内に収納し、セル内を減圧した後、水銀を導入して加圧し、加圧時の圧力と試験片内に存在する細孔中に押し込まれた水銀の体積との関係を求めた。前記圧力と体積との関係から細孔径と累積細孔容積との関係を求めた。水銀を導入する圧力は0.5 psi(0.35×10-3 kg/mm2)とし、圧力から細孔径を算出する際の常数は、接触角=130°及び表面張力=484 dyne/cmの値を使用した。気孔率は、全細孔容積の測定値から、コーディエライトの真比重を2.52g/cm3として、計算によって求めた。
【００５５】
[細孔のメジアン径]
前記水銀圧入方により求めた細孔径と累積細孔容積との関係から、累積細孔容積が50%となる細孔径を細孔のメジアン径とした。
【００５６】
[ダルシー透過定数]
ダルシーの透過定数は、Perm Automated Porometer(登録商標)6.0版(ポーラスマテリアルズ社)を使用し、エア流量を30 cc/secから400 cc/secまで増加させながら測定した通気度の最大値とした。
【００５７】
[割れ発生率]
各実施例及び比較例において、連続してセラミックハニカム構造体を100個作製し、そのうち割れが発生した個数の割合を割れ発生率とした。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
表１（続き）
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【００６０】
表１（続き）
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【００６１】
表1から、本発明の実施例1〜20のセラミックハニカム構造体は、割れの発生が小さく、かつ通気度の良好なものであることがわかる。特に乾燥の後に遠心分離により造孔材をさらに溶出させた実施例7〜9のセラミックハニカム構造体は、割れの発生が1%以下と著しく低かった。また、実施例2及び5〜7に対して、乾燥後さらにエアブローを行った実施例17〜20は、割れの発生率が減少した。
【００６２】
一方、比較例1及び2のセラミックハニカム構造体は、乾燥工程において、それぞれ成形体に含まれる造孔材の10%及び20%しか除去されていないので、焼成時に造孔材が燃焼して大きな熱応力が発生し、割れの発生率がそれぞれ20%及び12%と大きくなった。
【００６３】
比較例3のセラミックハニカム構造体は、使用した造孔材の融点が低すぎるので、気孔率が30%と低いものであった。比較例4のセラミックハニカム構造体は、使用した造孔材の融点が高すぎるので、造孔材の除去率が20%と低く、割れの発生率が7%と大きかった。
【００６４】
比較例5のセラミックハニカム構造体は、乾燥時に溶出しない発泡樹脂を造孔材として用いたので、焼成時に造孔材が燃焼して発生する熱応力により割れの発生率が8%と大きくなった。比較例6のセラミックハニカム構造体は、造孔材にグラファイトを用いたため、グラファイトが焼失する際に大きな体積膨張が発生し、割れの発生率が30%と著しく大きくなった。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２】
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【国際調査報告】
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